Kanada schafft Uran-Kreislaufwirtschaft

So kann Kerntechnik gehen, wenn sie von sachkundigen Leuten und nicht von Ideologen betrieben wird. Kanada nähert sich mit großen Schritten einer umweltfreundlichen und unermesslichen Energiequelle. Zum Erscheinen des neuen Haferburg & Humpich-Buches: "Atomenergie – jetzt aber richtig".

Kanada ist auf dem Weg, nicht nur sein Energieproblem dauerhaft zu lösen, sondern gleichzeitig auch sein „Atommüllproblem“. Kanada hat durchaus große Öl- und Gasvorkommen, ist aber so groß und landschaftlich unwirklich, dass es sich wirtschaftlich eher lohnt, die Förderung zu exportieren und gleichzeitig Öl und Gas für die Ostküste zu importieren. Es war deshalb folgerichtig, seit den 1950er Jahren die Kernenergie zur Stromerzeugung konsequent auszubauen. Daran hat sich bis heute nichts geändert. Für Sonnenenergie liegt Kanada zu weit nördlich (Dunkelheit im Winter), und auch die Windenergie ist nur in einem sehr engen Gebiet nutzbar. Andererseits verfügt Kanada über große und kostengünstige Uranvorkommen.

Da Kanada nie an Kernwaffen interessiert war, konzentrierte man sich auf Schwerwasserreaktoren, die mit Natururan zu betreiben sind. Durch den vollkommenen Verzicht auf eine (aufwändige) Anreicherung war man politisch glaubwürdig. Man ließ auch die Finger vom anderen Ende (anders als etwa Indien) und verzichtete auf die Produktion von waffengrädigem Plutonium und vor allem auf die dazu notwendigen chemischen Verfahren zur Gewinnung. Als Konsequenz sammelte sich im Laufe der Jahrzehnte eine beträchtliche Menge abgebrannter Brennelemente an. Diese nach deutschem Gusto „endzulagern“ wäre nicht nur eine gigantische Verschwendung von Rohstoffen, sondern auch eine unnötige Konservierung der Gefahren durch radioaktive Strahlung.

Der Zusammenhang der Spaltung

Uran-235 spaltet sich – wenn auch selten – spontan. Dieser Zerfall ist bei Natururan so selten, dass man es problemlos in der Hand halten kann. Erst durch die Spaltung entstehen radioaktive Spaltprodukte. Ganz anders verhält sich die Sache bei Brennelementen, die längere Zeit in einem Reaktor waren. Sie enthalten so viele Spaltprodukte, dass die von ihnen ausgehende ionisierende Strahlung sogar tödlich sein kann – es entstand der gefürchtete „Atommüll“. Nun kommt die Zeit ins Spiel: Der radioaktive Zerfall läuft immer nur in eine Richtung ab: Je länger man wartet, desto mehr ist zerfallen und um so weniger strahlt der Rest. Direkt nach der Entnahme lagert man die Brennelemente in Wasserbecken zur Abkühlung. Nach etwa einem Jahr ist die Restwärme so gering, dass man sie in Stahl- bzw. Betonbehältern lagern kann. Prinzipiell lässt sich eine solche „ingenieurtechnische“ Lagerung beliebig lange durchführen.

Allerdings werden nicht alle Atome im Reaktor gespalten. Teilweise fangen die Kerne Neutronen ein und wandeln sich dabei um. Bekanntestes Beispiel ist Plutonium. Es bildet sich durch den Einfang eines Neutrons aus Uran-238. Das entstandene Plutonium-239 wird teilweise gespalten, baut sich aber auch zu noch höheren Plutonium-Isotopen auf. Damit ist das „Langzeitproblem“ des Atommülls entstanden. Diese Alpha-Strahler sind zwar wenig radioaktiv, dafür aber sehr langlebig. Solange man sie nicht in den Körper aufnimmt, sind sie völlig harmlos. Gleichwohl möchte man sie los werden – sind sie doch der letzte Propagandahit der „Anti-Atomkraft-Bewegung“. Ganz nebenbei stellen sie eine gewaltige potenzielle Energiequelle dar. Kernenergie würde damit endgültig zur umweltfreundlichsten und (nahezu) unerschöpflichen Energiequelle.

Der Trick der Schnellspaltung

Mit schnellen Neutronen – oder anders ausgedrückt, mit Neutronen hoher Energie – kann man auch Uran-238 sowie alle minoren Aktinoide spalten. Man muss einen Reaktor bauen, in dem die Neutronen möglichst wenig abgebremst werden. Das ist genau der entgegengesetzte Weg wie bei konventionellen Reaktoren. Dort bremst man die Neutronen durch Zusammenstöße mit gewöhnlichem Wasser, Graphit oder schwerem Wasser (Deuterium) auf möglichst geringe Geschwindigkeiten ab. Die Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung von Uran-235 steigt um mehr als das 500-fache gegenüber schnellen Neutronen an. Man kann Reaktoren mit geringer Anreicherung von etwa drei Prozent bei Leichtwasser oder sogar mit Natururan bei Schwerwasser betreiben. Allerdings bleiben dafür über 95 Prozent des Brennstoffs ungenutzt zurück. Diesen „Abfall“ kann man in schnellen Reaktoren weiter nutzen. Ganz nebenbei entschärft man den „Atommüll“ auf die Lebensdauer der Spaltprodukte von rund 300 Jahren.

Die Wahrscheinlichkeit für eine Schnellspaltung ist um Größenordnungen geringer als die Spaltung geeigneter Isotope (Zum Beispiel U-235, Pu-239) mit thermischen Neutronen. Thermische Neutronen sind sehr langsame Neutronen mit der Geschwindigkeit der Brownschen Molekularbewegung. Um die Wahrscheinlichkeit für eine selbsterhaltende Kettenreaktion zu erzielen, muss man den Brennstoff weitaus höher anreichern (etwa 20 Prozent) beziehungsweise eine entsprechende Menge Plutonium verwenden. Parallel zur schnellen Spaltung wird auch in einem schnellen Reaktor Plutonium gebildet. Damit ergeben sich drei mögliche Konstruktionen: Brenner, Konverter oder Brüter. Beim Konverter wird genauso viel Spaltmaterial neu gebildet, wie verbraucht wird. Beim „schnellen Brüter“ wird sogar mehr Spaltmaterial erzeugt. Beim Brenner muss das verbrauchte Spaltmaterial von außen – aus anderen Reaktortypen – ersetzt werden.

Als Kühlmittel für schnelle Reaktoren kommt überwiegend Natrium – neuerdings auch Blei und Salze – infrage. Alle haben spezifisch Vor- und Nachteile. Allen gemeinsam ist die mögliche Verwendung von abgebrannten Brennelementen als Brennstoff. Die Wiederaufbereitung beschränkt sich dabei auf die (grobe) Abscheidung der Spaltprodukte. Die Anforderung ist genau entgegengesetzt zu dem heutigen PUREX-Verfahren bei Leichtwasserreaktoren: Man braucht kein möglichst reines Uran und Plutonium – alles andere ist Abfall –, sondern eher reine Spaltprodukte als „nukleare Asche“.

Die „Abfallverbrennung“

Kanada hat sich entschlossen, eine Anlage zur weiteren Nutzung der abgebrannten Brennelemente am Standort Point Lepreau in New Brunswick zu bauen. Point Lepreau besteht seit 1983 aus einem CANDU-Reaktor mit 660 MWel Nettoleistung. 2012 fand nach umfangreicher Modernisierung eine Laufzeitverlängerung bis (geplant) 2040 statt. Die dann auf dem Gelände gelagerten 260.000 abgebrannten Brennelemente würden reichen, einen neuartigen „Abfallverbrenner“ mit 300 bis 500 MWel für weitere 60 Jahre zu speisen. Nur noch die dann angesammelten Spaltprodukte müssen „endgelagert“ werden. Wegen der geringen Menge (etwa 500 kg pro Betriebsjahr) und der verkürzten Lebensdauer unterliegt die Methode (unterirdisch, ingenieurtechnisch, etc.) dem dann vorherrschenden Gusto. Man sollte in diesem Zusammenhang auch nicht vergessen, dass durch die Spaltung faktisch das gesamte Periodensystem entsteht und letztendlich ein „kostbares Erz“. Im Zeitalter der „Nachhaltigkeit“ und der „Kreislaufwirtschaft“ von „Atom-Müll“ zu sprechen, erscheint mehr als fraglich.

Die Wiederaufbereitung

Geplant ist eine WAste To Stable Salt (WATSS) Anlage auf dem Kraftwerksgelände, in der die alten Brennelemente des CANDU-Reaktors in ein Salz für den Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR-W) von Moltex umgeformt werden. Die abgebrannten Brennelemente des CANDU-Reaktors verlassen also nicht mehr ihr Zwischenlager in Betonbehältern auf dem Gelände. Sie können dort soweit abklingen (mehrere Jahre), bis sie ohne große Abschirmung in geschmolzenem Salz aufgelöst werden können. Aus der Salzschmelze werden elektrochemisch (abgereichertes) Uran und ein Gemisch aus Plutonium und minoren Aktinoiden abgeschieden. Die Spaltprodukte verbleiben in der Lösung. Ziel der Aufbereitung ist möglichst alpha-freier und damit kurzlebiger Abfall in der Form der Spaltprodukte. Dieser Cocktail erreicht nach weniger als 300 Jahren die gleiche radiologische Toxizität wie das ursprüngliche Uranerz. Er wäre damit genauso harmlos. Wenn man aber möchte, kann man ihn weiterbehandeln (z.B. verglasen oder in synthetisches Gestein umformen), um eine Auslaugung zu vermeiden und ihn in ein geologisches Tiefenlager „endlagern“. Bei den kleinen Mengen bietet sich dafür zum Beispiel eine Endlagerung in horizontalen Tiefbohrungen auf dem Kraftwerksgelände an. In der gleichen Anlage wird auch das abgebrannte Salz aus dem Moltex SSR-W aufbereitet.

Der SSR-W Reaktor

Das Besondere an diesem Reaktortyp sind Brennstäbe (ähnlich wie in Leichtwasserreaktoren), die mit dem Brennstoffsalz gefüllt sind. Die Brennelemente sind von geschmolzenem Salz als Kühlmittel umgeben. Man erhofft sich dadurch, die Korrosion wesentlich einzuschränken. Die Brennstäbe werden zu Bündeln zusammengefasst, die individuell befüllt und gewechselt werden können. Die Basis des Salzes ist Natriumchlorid (NaCl, auch Kochsalz genannt). Der Brennstoff ist von der chemischen Zusammensetzung NaCl–MgCl2–UCl3–TRUCl3: NaCl ist die Grundsubstanz, zu der UCl3 (Uranchlorid) und TRUCl3, das Chlorsalz der Transurane aus der WATSS-Anlage, zugemischt werden. Über das Verhältnis des Uranchlorids zu den Transuranchloriden (Plutonium-, Neptunium-, Americium-Isotope, etc.) aus der Wiederaufbereitung wird die erforderliche Reaktivität eingestellt.

Natriumchlorid bremst die Neutronen nur wenig ab, wodurch man ein sehr hartes Neutronenspektrum erhält, das alle Transurane sehr gut spalten kann. Allerdings besteht Chlor zu 75 Prozent aus dem Isotop Cl35, welches recht große Einfangquerschnitte für Neutronen hat und somit parasitär wirkt. Da es sich bei diesem Reaktortyp aber um einen Brenner handelt, kann das toleriert werden. Einen Brüter (es wird mehr Plutonium erzeugt als verbrannt) kann man mit Natriumchlorid nicht bauen, da zu viele Neutronen verloren gehen. Hier geht es „nur“ um ein echtes Recycling von abgebrannten Brennelementen bei gleichzeitiger Entschärfung des „Atommülls“.

Die Sicherheit

Salzgemische kann man so einstellen, dass sie erst bei sehr hohen Temperaturen verdampfen. Anders als bei Wasser kann sich so kein Druck aufbauen. Auch bei einem Störfall steigt die Temperatur des Salzes lediglich an, es ändert aber nicht seine Phase. Andererseits bricht mit steigender Temperatur die nukleare Kettenreaktion automatisch in sich zusammen (selbstregelnd), und die Wärmeabgabe an die Umwelt steigt durch die höhere Temperaturdifferenz (passive Notkühlung). Ein solches Konzept wird als inhärent sicher bezeichnet. Da ein solcher Reaktor nahezu drucklos ist, reicht ein einfacher Tank aus, was die Investition entsprechend klein hält.

Das Kraftwerk soll mit einer Dampftemperatur von 575 Grad Celsius betrieben werden, sodass der gesamte nicht-nukleare Teil aus erprobter konventioneller Kraftwerkstechnik besteht. Der Spaltprozess ist selbstregelnd: Steigt die Temperatur des Brennstoffs, verringert sich die Kernspaltung und umgekehrt. Das Kraftwerk läuft dadurch praktisch vollautomatisch mit einer durch das Stromnetz geführten Leistung. Die erforderliche Reaktivität muss nur (grob) über den Ersatz von abgebrannten Brennelementen durch frische Brennelemente während des laufenden Betriebs gesteuert werden.

Eine weitere Besonderheit ist ein weiterer Kreislauf aus handelsüblichem Solarsalz zur Pufferung von Wärme: Wird weniger Strom im Netz gebraucht, wird das Salz aufgeladen. Bei einer Spitzenlast im Netz kann mehr Strom durch die Entladung des Puffers erzeugt werden. Der kanadische Versorger zielt damit auf den profitablen Ausgleich seiner stark schwankenden Windenergie ab. Hauptgrund ist aber die vollständige Trennung zwischen Reaktor und sonstiger Kraftwerkstechnik: Man strebt dadurch die Verwendung wesentlich preiswerterer und handelsüblicher Bauteile an. Momentan verhandelt man noch mit der Genehmigungsbehörde, wo man den Schnitt (zukünftig) setzen kann: Kommen beide zur Überzeugung, dass der konventionelle Teil nicht sicherheitsrelevant für den Reaktor ist, kann man diesen aus dem (nuklearen) Genehmigungsverfahren komplett herausnehmen und damit die langen Genehmigungs-, Planungs- und Bauzeiten enorm verkürzen.

Durch die zwangsweise gemeinsame Abscheidung aller Plutonium-Isotopen mit allen anderen minoren Aktinoiden erhält man zwar einen Brennstoff für Reaktoren, aber keinen Stoff zum Bau von Kernwaffen. Hinzu kommt, dass auch Lanthanoide als Spaltprodukte zusammen mit den Transuranen abgeschieden werden. Diese sind stark radioaktiv und entwickeln einige Wärme. Nicht nur ein „Bombenbau“, sondern auch ein unbemerkter Transport wäre schon ausgeschlossen.

Der Kanada-Uran-Kreislauf

Am Anfang stehen die CANDU-Schwerwasser-Reaktoren. Sie können mit Natururan betrieben werden. Nach der Nutzung enthalten die Brennelemente nur noch sehr wenig Uran-235, dafür aber neu gebildetes Plutonium und die Spaltprodukte als „nukleare Asche“. Im nächsten Entwicklungsschritt sollen in Kanada kleine Reaktoren (SMR) und Kleinstreaktoren (microreactors) an den oft weit entlegenen Verbrauchsschwerpunkten gebaut werden. Zumindest für die SMR werden Leichtwasserreaktoren verwendet werden.

Für diese Reaktoren ist eine Anreicherung bis 20 Prozent notwendig. Alle Leichtwasserreaktoren haben aber noch nach der Nutzung einen über dem Natururan liegenden Anteil von Uran-235. Sie können deshalb noch in Schwerwasser-Reaktoren weiter zur Stromerzeugung genutzt werden. Für die Aufbereitung ist in mehreren Ländern das DUPIC Verfahren (Direct Use of spent PWR fuel in CANDU) in der Entwicklung. Der Brennstoff wird erst in Sauerstoff und anschließend in Wasserstoff bei höheren Temperaturen geröstet. Dabei entweicht ein großer Teil der Spaltprodukte, und der Brennstoff zerfällt in ein Pulver, aus dem neue CANDU-Brennstäbe geformt werden. Dieser Prozess ist um so einfacher und damit kostengünstiger, je länger die abgebrannten Brennelemente aus den Leichtwasserreaktoren „zwischengelagert“ wurden. Dieser Brennstoff durchlebt dann sein zweites Leben in CANDU-Reaktoren, um dann sein drittes Leben im vor beschriebenen Stable Salt Reactor – Wasteburner fortzusetzen.

So kann Kerntechnik gehen, wenn sie von sachkundigen Leuten und nicht von Ideologen betrieben wird. Kanada nähert sich mit großen Schritten einer umweltfreundlichen und unermesslichen Energiequelle. Jedes Gramm Uran kann nahezu 22.800 kWh Energie erzeugen und hinterlässt dabei nur ein Gramm hochaktiven Abfall. Diese winzige Abfallmenge kann endgelagert – oder auch nicht – werden. Sei es drum, nach weniger als 300 Jahren strahlt sie nur noch so viel wie beispielsweise zahlreiche beliebte Urlaubsstrände in Brasilien oder Indien.

Das Märchen der „ungelösten Atommüllfrage“ wird in wenigen Jahrzehnten als böswillige Propaganda entlarvt sein. Vielleicht ist bis dahin der „grüne Sozialismus“ auch schon zusammengebrochen und man kann über die „Anti-Atomkraft-Bewegung“ genauso den Kopf schütteln wie über die zahlreichen Absonderlichkeiten in der untergegangenen „DDR“. Windräder und Sonnenkollektoren als Trabant des 21. Jahrhunderts.

Dr. Klaus-Dieter Humpich studierte Maschinenbau und Energie- und Verfahrenstechnik mit Schwerpunkt Kerntechnik, bevor er zehn Jahre am Institut für Kerntechnik in der Technischen Universität Berlin arbeitete. Seit 20 Jahren ist er freiberuflich im Bereich Energietechnik tätig. Dieser Beitrag erschien zuerst auf seinem Blog hier.

Von Klaus Dieter Humpich und Manfred Haferburg ist soeben in der Achgut-Edition das Buch

Atomenergie – jetzt aber richtig

erschienen. Das Nachwort stammt von dem Wissenschaftsphilosophen Michael Esfeld. Sie können es hier in unserem Shop bestellen, Auslieferung erfolgt ab kommenden Montag.

Zum Inhalt des Buches: Es ist keine Frage ob, sondern lediglich wann „die dümmste Energiepolitik der Welt“ (wallstreet-Journal) – in Deutschland euphemistisch „Energiewende“ genannt – beerdigt wird. Und was dann? Überall auf der Welt werden längst wieder die Weichen für die Kernenergie gestellt, CO2-frei wie bisher, aber intelligenter, resilienter, mobiler und preiswerter als je zuvor. Die Atomenergie kann auch hierzulande der Nukleus für einen neuen Wohlstand sein, auch diese Einsicht wird sich unter der Last des Faktischen durchsetzen. Die beiden Energieexperten Manfred Haferburg und Klaus Humpich analysieren den deutschen Irrweg und zeigen Wege aus der Sackgasse. Dieses Buch ist ein Almanach der Vernunft für alle, die in Deutschland erfolgreich wirtschaftlich tätig sind und damit fortfahren wollen.